人工龍卷風熱氣流發(fā)電裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于一種可以利用人工溫度場制造較高的熱功轉換率的人工龍卷風熱氣流發(fā)電裝置，包括設置在地面上的負壓渦輪機和設置在負壓渦輪機下方的發(fā)電機，負壓渦輪機圓周內側設置有葉片，葉片形成氣流通道，氣流通道頂部設置有短氣囪，短氣囪外側設置有內圈玻璃大棚，內圈玻璃大棚外側設置有外圈玻璃大棚，負壓渦輪機外側設置有固定導流板，所述玻璃大棚底部通過大棚支柱與地面連接，內圈玻璃大棚內設置有環(huán)形燃燒帶，環(huán)形燃燒帶上設置有燃燒炬，本發(fā)明利用熱成龍卷風機理，克服自然塵卷風匯集能量太小的缺點，通過輻射能或輔助能源加熱獲得棚內氣體的溫度增量，棚內被加熱的空氣在啟動裝置的帶動下，提高了人工龍卷風熱氣流發(fā)電裝置的發(fā)電能力。
【專利說明】人工龍卷風熱氣流發(fā)電裝置

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于一種龍卷風發(fā)電裝置，尤其涉及一種可以利用人工溫度場制造較高的熱功轉換率的人工龍卷風熱氣流發(fā)電裝置。

【背景技術】
[0002]近年來新能源產業(yè)的蓬勃發(fā)展，使得風電規(guī)模、太陽能光伏發(fā)電規(guī)模快速遞增，但是風電及光伏的隨機性對電網的安全性穩(wěn)定性帶來了挑戰(zhàn)，為應對不斷升高的新能源上網比例，國家電網加快建設儲能調峰電站，建設大型上下游調峰水電站；以及利用大規(guī)模的液流電池、鋰離子電池進行儲能調峰發(fā)電，來平抑電網的峰谷差；太陽能應用也向塔式或槽式儲熱均衡發(fā)電尋求突破，新能源產業(yè)正在克服自身的瓶頸向前發(fā)展。新能源產業(yè)需要儲能調峰、需要自身均衡發(fā)電，而儲能調峰不僅需要較高的能源效率，而且需要合理的投資成本和恰當?shù)膲勖?，才具有發(fā)展價值。同樣太陽能熱發(fā)電也必須具有同其他能源發(fā)電的競爭能力。前期國家補貼只能是導向性的臨時措施，新能源雖然具有環(huán)境友好綠色低碳的特點，但也需要有較好的經濟效益，才能做大做強。
[0003]龍卷風是自然界的一種氣候現(xiàn)象，它是由兩股空氣強烈相向對流、相互摩擦而形成的空氣漩渦。由于龍卷風是大氣對流層下部熱空氣劇烈上升，上部冷空氣急劇下降的強對流氣候所致，其直徑從幾米到數(shù)百米不等，風速可以達到200m/s，具有強大的空氣流和巨大的能量，因此，可以利用龍卷風發(fā)電裝置進行發(fā)電?，F(xiàn)有的龍卷風發(fā)電裝置雖然能夠利用大氣對流層空氣對流規(guī)律，通過自然環(huán)境的上升氣流形成的高速氣旋，從而產生龍卷風效應進行發(fā)電，然而，這種發(fā)電裝置需要沿陡峭的山體建筑，達到一定高度的垂直高度差，從而獲得足夠的梯度溫差動力，同時還需要利用間斷性、不對稱機翼形螺旋脊管道形成高速氣旋，才能具備龍卷風發(fā)電裝置發(fā)電的必備因素，因此，現(xiàn)有的龍卷風發(fā)電裝置具有較大的局限性，無法在非高山的地方推廣使用，此外，現(xiàn)有的龍卷風發(fā)電裝置匯集能量不夠穩(wěn)定，能量轉換率較低，無法實現(xiàn)全天候、全時段均衡發(fā)電。


【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術中存在的不足而提供一種人工龍卷風熱氣流發(fā)電裝置，充分利用了人工溫度場，克服自然塵卷風匯集能量太小的缺點，提高了熱功轉換率，實現(xiàn)全天候、全時段均衡發(fā)電。
[0005]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:一種人工龍卷風熱氣流發(fā)電裝置，包括設置在地面上的負壓渦輪機和設置在負壓渦輪機下方的發(fā)電機，其特征在于:所述的負壓渦輪機圓周內側設置有葉片，葉片形成氣流通道，氣流通道頂部設置有短氣?，短氣?外側設置有內圈玻璃大棚，內圈玻璃大棚外側設置有外圈玻璃大棚，負壓潤輪機外側設置有固定導流板。
[0006]所述的內圈玻璃大棚和外圈玻璃大棚底部均通過大棚支柱與地面連接。
[0007]所述的內圈玻璃大棚內設置有環(huán)形燃燒帶，環(huán)形燃燒帶上設置有燃燒炬。
[0008]所述的氣流通道半徑與短氣囪半徑相等，故渦輪為大直徑低速負壓渦輪機。
[0009]本發(fā)明的工作原理為:在地面上由內圈玻璃大棚和外圈玻璃大棚形成的熱力大棚內，以空氣為介質的熱載體，太陽能透過雙層玻璃大棚加熱棚內空氣，棚內被加熱的空氣受到熱成風的機理作用，在固定導流板導引下，在科氏力、慣性離心力作用下，通過棚中央出口匯集旋升形成人造龍卷風。而成勢龍卷風中心的低氣壓和較高風速為熱氣流作用負壓渦輪機獲得機械能提供了良好的技術條件，在熱風場中央出口水平安裝大型負壓渦輪機，即可獲取熱氣流的部分能量，實現(xiàn)熱能-風能-電能的轉換。在夜間或太陽能不足時，采用輔助能源一荒煤氣，在棚內環(huán)形燃燒帶上燃燒加熱空氣，熱空氣工作溫度控制在6 5 00 — 9 5 00之間，完善的系統(tǒng)具備均衡發(fā)電和調峰發(fā)電的能力。
[0010]熱成旋風的機理分為自然龍卷風和人工龍卷風，自然龍卷風如荒漠戈壁的塵卷風發(fā)生在夏季的午后時分，地表被陽光持續(xù)照射，加熱地表的空氣，并形成一定的熱空氣層厚度，當該空氣層的溫度達到門限值時，氣體分子的熱運動力克服氣體的重力，氣團瞬間向上運動，在某個隨機地點以熱空氣層厚度8倍的半徑形成上升氣體柱，在科氏力和地球慣性離心力的作用下，上升氣體柱快速起旋，熱氣體向相對低溫低壓的上層大氣升旋排泄，在上升氣體柱的底面形成低氣壓，外圍熱空氣在前導氣體的氣流場的作用下，沿柱面近90度的角度被吸入形成龍卷風，龍卷風中心的低氣壓使得氣體的熱能轉化為氣體的動能，升旋中轉化為勢能，將地面能量向高層大氣擴散，在龍卷風發(fā)展和成型階段，地面熱空氣層形成水平渦旋。塵卷風的空氣溫度無法高于門限值，熱空氣層厚度小，水平渦旋直徑有限，無法收集大范圍內的太陽能。
[0011]本發(fā)明依據的基礎理論為龍卷風空氣動力數(shù)學模型，該模型能夠解釋臺風、陸地龍卷風、荒漠戈壁塵卷風的形成原因，形態(tài)，規(guī)模大小，通過地面或洋面由于太陽輻射增溫幅度，導出龍卷風的最大地面風速、龍卷風或臺風中心最低氣壓值等運動參數(shù)，同時獲得龍卷風的形態(tài)參數(shù)，如上升氣旋的直徑，地面渦旋的作用直徑，氣旋上升高度，耗散高度等。
[0012]建立的熱空氣流作用于負壓渦輪機提取動能及熱氣流內能的理論模擬計算式，為大型負壓渦輪機的外形尺寸、葉片形狀、葉片角度等設計提供依據。
[0013]本發(fā)明具有如下積極效果:
1、本發(fā)明利用熱成龍卷風機理，克服自然塵卷風匯集能量太小的缺點，人為設置水平渦旋一大棚半徑，捕捉需要的太陽能熱量來加熱棚內的空氣，為減少棚內氣體向棚外的低溫紅外輻射，采用雙層玻璃，棚高即為熱空氣層的厚度，通過輻射能或輔助能源加熱獲得棚內氣體的溫度增量，棚內氣體的增溫可以高于門限值，大棚中心的短氣囪是龍卷風的升旋出口，氣囪出口半徑和玻璃大棚的采光面積及大棚的高度，決定了匯集的能量大??；
2、龍卷風發(fā)電裝置的大棚內被加熱的空氣在啟動裝置的帶動下，將熱空氣引導到達旋口氣園，在氣園中熱空氣的升旋機理同上，氣旋形成后氣旋帶動潤輪機轉動，從而提高了人工龍卷風熱氣流發(fā)電裝置的發(fā)電能力；
3、本發(fā)明克服了龍卷風發(fā)電裝置的位置局限性，無須建在高山上獲得梯度溫差，也不用以山體作為螺旋脊管道的載體，極大地提高了龍卷風發(fā)電裝置的建筑位置和使用范圍；
4、由于本發(fā)明龍卷風發(fā)電裝置內圈玻璃大棚內設置有環(huán)形燃燒帶和燃燒炬，解決了大棚內能量不足的問題，從而真正實現(xiàn)了全天候、全時段均衡發(fā)電，不僅滿足了新能源具有環(huán)境友好、綠色低碳的特點，而且提高了龍卷風發(fā)電裝置的經濟效益，促進了龍卷風發(fā)電技術的發(fā)展和推廣； 5、本發(fā)明通過自然龍卷風數(shù)學模型可以導出龍卷風的最大地面風速、龍卷風或臺風中心最低氣壓值等運動參數(shù)，同時獲得龍卷風的形態(tài)參數(shù)，如上升氣旋的直徑，地面渦旋的作用直徑，氣旋上升高度，耗散高度等，為本發(fā)明龍卷風發(fā)電裝置的結構制造、操作流程以及后續(xù)的改進提供了寶貴的理論基礎和相關依據。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的熱力大棚平面俯視圖。
[0015]圖2為本發(fā)明的熱力大棚立面剖面圖。
圖3為負壓渦輪機的平面俯視圖。
圖4為負壓渦輪機的立面剖面圖。
[0016]圖5為本發(fā)明的負壓卡諾循環(huán)圖。
[0017]圖中:1.負壓渦輪機2.發(fā)電機3.葉片4.氣流通道5.短氣囪6.內圈玻璃大棚7.外圈玻璃大棚8.固定導流板9.大棚支柱10.環(huán)形燃燒帶11.燃燒炬12.渦輪動力輸出軸。

【具體實施方式】
[0018]實施例1，如圖1、圖2、圖3、圖4所示，一種人工龍卷風熱氣流發(fā)電裝置，包括設置在地面上的負壓渦輪機I和設置在負壓渦輪機I下方的發(fā)電機2，負壓渦輪機I通過負壓渦輪機I底部的渦輪動力輸出軸12提供，負壓渦輪機I圓周內側設置有葉片3，葉片3形成氣流通道4，氣流通道4頂部設置有短氣? 5，短氣? 5外側設置有內圈玻璃大棚6，內圈玻璃大棚6外側設置有外圈玻璃大棚7,負壓潤輪機I外側設置有固定導流板8,所述的內圈玻璃大棚6和外圈玻璃大棚7底部均通過大棚支柱9與地面連接，內圈玻璃大棚6內設置有環(huán)形燃燒帶10，環(huán)形燃燒帶10上設置有燃燒炬11，氣流通道4半徑r與短氣囪5半徑R相坐寸ο
[0019]本發(fā)明利用熱成龍卷風的機理，克服自然塵卷風匯集能量太小的缺點，人為設置水平渦旋一大棚半徑，捕捉需要的太陽能熱量來加熱棚內的空氣，為減少棚內氣體向棚外的低溫紅外輻射，采用雙層玻璃，棚高即為熱空氣層的厚度，通過輻射能或輔助能源加熱獲得棚內氣體的溫度增量，棚內氣體的增溫可以高于門限值，大棚中心的短氣囪是龍卷風的升旋出口，氣囪出口半徑和玻璃大棚的采光面積及棚的高度，決定匯集的能量大小。棚內被加熱的空氣在啟動裝置的帶動下，將熱空氣引導到達旋口氣囪，在氣囪中熱空氣的升旋機理同上,氣旋形成后氣旋帶動渦輪機轉動。
[0020]其中，棚內空氣的溫度增量At決定氣體的最大風速Umax，轉換數(shù)學式為(當溫度增量取為At= 68°時)
Umax = [0.8X AtX1005]1/3 =37.95 m/s
由大棚獲得總輻射能差等于氣體流量乘溫度增量關系式=Rtl2H (LX α X Θ -AtX Gi1 + k2) =φ X AtX 1005得到計算的玻璃大棚半徑Rtl:
Κ0=[Φ X AtX 1005/ [ 31 X (LX α X θ —AtX Qi1 + k2) )]1/2
式中:L為哈密夏季白天9小時的平均太陽輻射能值，(春秋季白天7小時的平均太陽輻射能值為地表吸收系數(shù)，9為雙層玻璃的透射系數(shù)，匕為熱氣體的紅外反射系數(shù)，1?為地表導熱系數(shù)，^為空氣流量。
[0021](當 1=688^/11，0 =0.9，9=0.7,1^=2.5,1^=1.5,11=2111^^,1^=16111^15^^^,0 =1.081^?3 中心氣體密度，^=2時。)尺0=1053.75111。
[0022](太陽輻射不足時，啟動輔助能源，保證大棚內空氣溫度增量八〖不變，氣體最大速度”.不變，^不變，以補充輻射能值I，)
由玻璃大棚的光照面積\公式:(^=286.11為隔熱大棚的半徑)
5,31 尺。、II X (尺2 —尺/)
得到大棚的半徑尺:
1^= (^2 + 1？22? 1/2 =1092 111
被加熱的空氣形成熱氣流向中央匯集并通過在大棚中央水平安裝的負壓渦輪機的葉片通道，渦旋氣流通過固定氣流導板以一定的角度射入葉片通道，氣流的流速在葉片的正面和背面產生氣體的密度差八!'=(巧一巧)，從而對葉片形成壓力差八？
(巧一 1-2 )推動渦輪機做功。渦輪機功率1由下式給出:
^=(0 1^9.8X10^ 萬砑

(^+?) ^0.102^008( 0 ) X 七 ￡111( 0 ) X 厶！'父10—7
式中為渦輪機的角速度，1為氣體作用于渦輪機的力偶矩，II為進入渦輪機的風速，
1-為將進入渦輪機的氣體密度，&為渦輪機葉片的線速度與風速的比值，札為葉片的內園半徑，II為渦輪機的高度，民為葉片二次沖擊半徑,?為一次沖擊半徑，0為氣體的入射角，八!'為葉片前后密度差。I'和八!'由另外的公式求算，風速已給出，其余為渦輪機的結構參數(shù)，代入相關數(shù)據渦輪機的最大出力達到14.5萬欣。
[0023]實施例2，如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5所示，一種人工龍卷風熱氣流發(fā)電裝置，包括設置在地面上的負壓渦輪機1和設置在負壓渦輪機1下方的發(fā)電機2，負壓渦輪機1通過負壓渦輪機1底部的渦輪動力輸出軸12提供，負壓渦輪機1圓周內側設置有葉片3，葉片3形成氣流通道4，氣流通道4頂部設置有短氣園5，短氣園5外側設置有內圈玻璃大棚6，內圈玻璃大棚6外側設置有外圈玻璃大棚7，負壓渦輪機1外側設置有固定導流板8，所述的內圈玻璃大棚6和外圈玻璃大棚7底部均通過大棚支柱9與地面連接，內圈玻璃大棚6內設置有環(huán)形燃燒帶10，環(huán)形燃燒帶10上設置有燃燒炬11，氣流通道4半徑I'與短氣囪5半徑尺相等。
[0024]建立的人工龍卷風加入動力渦輪機后的整體系統(tǒng)數(shù)學模型，為太陽能熱力場計算受熱面積從而獲得玻璃大棚的半徑、輔助加熱的環(huán)形燃燒半徑、升旋氣流在大棚中央的出口半徑、及大棚的高度等尺寸；棚內加熱氣體的增溫和熱氣體的流速與渦輪機發(fā)出的最大功率的計算式。
[0025]圖3的負壓渦輪機的平面俯視圖、圖4的負壓渦輪機的立面剖面圖均為系統(tǒng)結構示意圖，圖中葉片數(shù)量由下式確定:
11= 2 31 128111 (0^)
式中:9:為氣流入射角，民為受力面半徑，12為葉片受力長度。
[0026]通過小型試驗開發(fā)出負壓渦輪機，驗證人工龍卷風的生成和可控性，并發(fā)出電力。
[0027]通過中型試驗驗證負壓渦輪機的效率，驗證系統(tǒng)裝置的熱功轉換效率，龍卷風渦輪機的熱效率的卡諾定理，系統(tǒng)裝置(含外界)的負壓卡諾循環(huán)圖如圖5所示:(1005J/kg/C°為氣體焓值)
圖中:Ptl > Pz，Ttl > Tz系統(tǒng)介質在熱能的作用下，向低壓、低溫環(huán)境運動中對渦輪機和氣團做功。由圖得到渦輪機提取的能量為:
Wj = ( υ \ P b/2+ Q2) — ( u \ P J2+ Q3) ^ Q2 — Q3
Q2= AtX 1005 — υ 3b P b/2 Q3=Zg — Q4= Zg — At1XlOOS
Wj ^ Q2 - Q3 =AtX 1005 — υ \ p J2 - Zg + At1X 1005
=(At + At1) X 1005 — υ \ p b/2 - Zg
=(At + At1) X 1005 - υ \ p b/2 - 0.5 υ \ p J 2 (由輔助方程得到)
=(At + At1) X1005 — 0.75 U3bPb (ub = umax)
=(At + At1) X 1005 - 0.75X0.8X AtX 1005X Pb ( Pb =1.08)
=(At + At1-0.65 At) X 1005 ( At1=0.65XZ/100)
=(0.35At + At1) X 1005 (Z=0.5 Δ t X 1005 /2/9.8) Z 為龍卷風上升的有效高度。
[0028]= (0.35At + 0.16 At) X 1005 ( At1=0.166 At)
=0.516X AtX 1005 Λ &稱為大氣溫度梯度補償系統(tǒng)最大理論熱效率:
n= WjAi1=0.516Χ100%=51.6%
通過推導計算系統(tǒng)的大型負壓渦輪機出力較大，可以達到14萬kW，且系統(tǒng)的熱效率比較高，達到50%左右。
[0029]大型試驗為大型負壓渦輪機進行修改定型，確立龍卷風熱氣流發(fā)電最高效率，優(yōu)化大型熱力場的設計，為太陽能熱加輔助熱源均衡發(fā)電提供一種模式；為建立電網級儲能調峰、調頻發(fā)電的儲能電站提供一種式樣。
【權利要求】
1.一種人工龍卷風熱氣流發(fā)電裝置，包括設置在地面上的負壓渦輪機和設置在負壓渦輪機下方的發(fā)電機，其特征在于:所述的負壓渦輪機圓周內側設置有葉片，葉片形成氣流通道，氣流通道頂部設置有短氣?，短氣?外側設置有內圈玻璃大棚，內圈玻璃大棚外側設置有外圈玻璃大棚，負壓渦輪機外側設置有固定導流板。
2.根據權利要求1所述的人工龍卷風熱氣流發(fā)電裝置，其特征在于:所述的內圈玻璃大棚和外圈玻璃大棚底部均通過大棚支柱與地面連接。
3.據據權利要求1所述的人工龍卷風熱氣流發(fā)電裝置，其特征在于:所述的內圈玻璃大棚內設置有環(huán)形燃燒帶，環(huán)形燃燒帶上設置有燃燒炬。
4.據據權利要求1所述的人工龍卷風熱氣流發(fā)電裝置，其特征在于:所述的氣流通道半徑與短氣囪半徑相等。
【文檔編號】F03D9/00GK104389743SQ201410600011
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月31日 優(yōu)先權日:2014年10月31日
【發(fā)明者】付紹豪, 劉建華, 付晶晶 申請人:哈密市共創(chuàng)科技發(fā)展有限責任公司